稀土掺杂铋酸盐荧光纳米材料的制备及性能

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稀土无机发光材料由本身不发光的基质和充当发光中心的稀土离子组成,是非常重要的一类稀土功能材料,被大量使用于生活照明、生物检测、光学成像等方面,在人类生活和资源利用方面发挥着日益重要的作用。因此,本文采用一种简易又快速的合成方法制备了不同稀土离子掺杂的铋酸盐荧光纳米材料,并对其结构性能及荧光机制进行了系统研究。所做的主要研究工作如下:(1)通过室温下简易又快速的化学反应,合成了一种新型铥掺杂四氟铋钠蓝光材料。利用XRD,TEM,EDX等方法对目标产物进行了表征,XRD分析结果显示所合成的目标产物为具有高结晶度的六方相NaBiF4(JCPDS No.41-0796),它们的衍射峰位置与NaBiF4标准晶相(JCPDS No.41-0796)的主峰(100)、(101)、(201)、(211)有很好的匹配度;TEM检测结果显示所合成的目标产物为均匀分散的球状纳米粒子,其平均尺寸通过Debye-Scherrer方程利用(100)面的半高宽度(FWHM=0.244°)计算为36 nm;EDX能谱证明了目标产物中元素钠(Na)、铋(Bi)、氟(F)和铥(Tm)的存在,证实了目标产物为NaBiF4:Tm3+蓝光材料。采用荧光光谱仪测定了目标产物的荧光性能,其结果表明,在357nm的光激发下,目标产物能发出明亮的蓝光,其特征峰位于约451 nm处,对应于Tm3+1D23F4能级跃迁;Tm3+的最优掺杂量为50 mol%,由于电偶极-电偶极间相互作用,随着浓度的进一步增加会导致浓度猝灭现象的产生,从而使发光强度降低;目标产物的色度坐标为(0.1354,0.0602),色纯度约为92.4%;通过Judd-ofelt理论探讨了目标产物中掺杂离子Tm3+周围的晶体场环境,推断出晶体场环境的改变对发光中心Tm3+的能级跃迁具有显著影响。目标产物在白光LED、陶瓷、显示器件等方面存在良好的应用潜力。(2)通过室温下简易又快速的化学反应,合成了镱和铒共掺杂四氟铋钠绿光材料。通过单因素优化试验探究了NH4F的用量、Bi(NO33的用量、敏化剂Yb(NO33的掺杂量、发光中心Er(NO33的掺杂量、反应温度及反应时间对目标产物结构及荧光性能的作用情况,获取了较优制备条件为:NH4F的量n NH4F=22mmol、Bi(NO33的量nBi3+/n Na+=0.5、敏化剂Yb(NO33的量n Yb3+/n Bi3+=0.25、发光中心Er(NO33的量nEr3+/n Bi3+=0.025、反应温度T=35 oC、反应时间t=1.5min。基于单因素优选试验的结果,采用正交试验对影响目标产物结构与性能的显著因素(敏化剂Yb(NO33的量、NH4F的量、反应温度、发光中心Er(NO33的量)进行了更深层次的优化,获得了最佳合成条件为:NH4F的量n NH4F=22mmol、敏化剂Yb(NO33的量nYb3+/n Bi3+=0.3、发光中心Er(NO33的量n Er3+/n Bi3+=0.03、反应温度T=35 oC。在此最佳条件下合成了目标产物C1、C2、C3,通过XRD、TEM和荧光光谱仪等方法进行了表征。XRD分析结果显示目标产物的晶相均相同,它们的衍射峰位置与NaBiF4标准晶相(JCPDS No.41-0796)的主峰(100)、(101)、(201)、(211)有很好的匹配度,从而表明晶体结构无变化产生;图谱中尖而窄的峰形突出了目标产物结晶度良好;TEM图显示目标产物的形貌基本相同,均呈现为类球状纳米粒子。通过Debye-Scherrer方程利用(100)面的半高宽度(FWHM=0.304°)计算得纳米粒子的平均粒径约为29 nm;EDX能谱显示了目标产物的元素组成为钠(Na)、铋(Bi)、氟(F)、镱(Yb)和铒(Er),证实了目标产物为NaBiF4:Yb、Er绿光材料。荧光光谱显示目标产物的荧光图谱和正交试验中荧光性能最好的样品的荧光图谱峰形和峰位置均相同,均为Er3+的特征发射峰。其中强度相对较低的位于520nm左右的发射峰符合Er3+2H11/24I15/2能级跃迁,而强度较高的位于540nm左右的锐发射峰则符合其4S3/24I15/2能级跃迁;此外还有一个符合其4F9/24I15/2能级跃迁的位于655nm左右的微弱峰,从而说明荧光材料能够被980 nm的激发光有效地激发。该工作为后续稀土掺杂四氟铋钠荧光纳米材料的合成提供了很好的借鉴,同时也为其深入地探究奠定了坚实的基础。
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